廣州車陂涌綜合整治改造測量工藝研究

宋奇鴻

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

廣州地處珠江三角洲河網(wǎng)地帶，中心城區(qū)轄內(nèi)有河涌231條，總長約913 km，如圖1所示，大大小小的河涌在廣州的社會發(fā)展中具有排洪泄污及交通運(yùn)輸雙重功能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市化的加快，廣州市內(nèi)河涌污染問題日趨嚴(yán)重，生態(tài)調(diào)節(jié)功能逐漸喪失。車陂涌是天河區(qū)7條河涌中流域面積最大的河涌，如圖2所示，源于北部的龍洞水庫，穿過華南路和環(huán)城高速公路，在馬鞍山橋上游與新塘水匯合，然后再向南穿過廣園快速公路、廣深鐵路、中山大道、黃埔大道東，最后匯入珠江。

本文以車陂涌為例，探討河涌綜合整治改造輔助設(shè)計(jì)測量的前期地理信息數(shù)據(jù)獲取方法，建立基于多時相三維影像模型的河涌整治效果評價方法，并通過大比例尺地圖制圖綜合和空間地物要素動態(tài)更新機(jī)制實(shí)現(xiàn)成果數(shù)據(jù)的表達(dá)，并在最后進(jìn)行了總結(jié)。

圖1 廣州市河涌分布圖

圖2 車陂涌示意圖

2 河涌綜合整治改造輔助設(shè)計(jì)測量

車陂涌河寬較窄，沿涌多崩岸，下游沿涌建筑物多，過水?dāng)嗝娌蛔?，在功能上只表現(xiàn)為沿線流域排澇及排污通道的作用，通過綜合整治，還規(guī)劃實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣溫、凈化空氣、塑造城市景觀功能、帶動河涌周圍經(jīng)濟(jì)發(fā)展的功能。同時，車陂涌枯水期流量不足、河水黑臭、涌底顯露，其綜合整治還提出提水—輸水—蓄水—補(bǔ)水工程，有效解決河涌枯水期和截污后涌內(nèi)缺水的問題，顯著改善河涌水環(huán)境現(xiàn)狀。為輔助堤岸改造、河涌線路調(diào)整和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要精確測量堤岸和臺階位置，橋面標(biāo)高、橋梁底部、帽梁底部和橋臺標(biāo)高等，以滿足堤岸景觀設(shè)計(jì)、河涌線路設(shè)計(jì)、橫梁位置設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

車陂涌綜合整治附屬工程改造和截污管道鋪設(shè)方面，主要需輔助測量管線數(shù)據(jù)、橋梁伸縮縫數(shù)據(jù)和市政路口涵洞數(shù)據(jù)，如圖3、圖4所示，以滿足在橋面和路面上設(shè)置縱橫坡排水。同時在各軸橋面低側(cè)防撞墻處設(shè)一平入式進(jìn)水口，接梁體翼緣下方的排水管，并沿固定于橋墩表面的排水管而下，接到排水系統(tǒng)。此外，結(jié)合橋梁分跨情況，在梁端與橋臺背墻之間的橋面設(shè)置橫向的伸縮縫，伸縮縫與橋面連接必須牢靠，在主要市政路位設(shè)計(jì)排污口和截污口，接入原來污水處理系統(tǒng)。

圖3車陂涌管線綜合橫斷面

圖4 車陂涌綜合改造水溝及管線斷面測量

3 多時相三維影像模型的河涌整治效果評價方法

考慮到河涌整治的時間跨度一般較大，歷時幾年甚至十幾年，因此，不同階段不同時期的河涌現(xiàn)狀成為有關(guān)部門進(jìn)行監(jiān)督和審批的重要依據(jù)?？紤]到城市黑臭水體遙感反射率較低，在一定范圍內(nèi)整體走勢很平緩，雖然波動但峰谷并不突出的特點(diǎn)，可以基于單波段閾值、波段比值、和色度的特征作為其遙感識別的重要特征，建立一套基于多時相三維影像模型的河涌整治效果的評價方法。本文通過采取定期無人機(jī)航攝的模式，獲取各時間節(jié)點(diǎn)的多時相三維影像，并通過點(diǎn)云的多級簡化生成對應(yīng)層級的網(wǎng)格模型，得到河涌沿線重要信息的細(xì)節(jié)層次(LOD)，一方面為實(shí)時監(jiān)控河涌整治效果和政府決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，另一方面也為測繪生產(chǎn)的外業(yè)檢查提供了重要參考。

綜合考慮無人機(jī)續(xù)航時間和帶狀條件，數(shù)據(jù)采集分正攝、前視、后視、左視、右視，采用5個方位進(jìn)行。在獲得傾斜影像后，經(jīng)過勻光勻色后，進(jìn)行多視角影像的幾何校正、聯(lián)合平差等處理流程，運(yùn)算生成基于影像的超高密度點(diǎn)云，從而構(gòu)建TIN模型，并以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型，如圖5所示。

圖5 無人機(jī)傾斜攝影測量基本原理

對于單張傾斜影像的姿態(tài)恢復(fù)主要基于3個場景約束條件，也即鉛垂線、平面直角和平行線。基于鉛垂線約束的姿態(tài)恢復(fù)，地面鉛垂線在影像上對應(yīng)的直線均相交于像底點(diǎn)，其中像底點(diǎn)為過影像透視中心的鉛垂線與影像面的交點(diǎn)，若成像面水平，則像底點(diǎn)與像主點(diǎn)重合，如圖6所示。通過計(jì)算得到像底點(diǎn)坐標(biāo)(xp，yp，-f)，假設(shè)影像上量測的鉛垂線投影方程為U·x+V·y+W=0。由于所有鉛垂線在影像上的投影線均經(jīng)過像底點(diǎn)，則有U·xp+V·yp+W=0。

圖6 基于鉛垂線約束的姿態(tài)恢復(fù)

圖7 基于平面直角約束的姿態(tài)恢復(fù)

幾何糾正后，進(jìn)行同名點(diǎn)匹配和區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，最后將平差后的數(shù)據(jù)(三個坐標(biāo)信息及三個方向角信息)賦予每張傾斜影像，使得他們具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，至此傾斜影像即可進(jìn)行實(shí)時量測，每張斜片上的每個像素對應(yīng)真實(shí)的地理坐標(biāo)位置。如圖8、圖9、圖10分別為車陂涌(部分河段)傾斜攝影測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、mesh模型和三維影像模型。

圖8 車陂涌點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖9 車陂涌mesh模型 圖10 車陂涌三維影像模型

4 成果數(shù)據(jù)的表達(dá)與質(zhì)量

4.1 城市大比例地圖的制圖綜合方法實(shí)踐

1∶2 000帶狀地形圖在1∶500圖的基礎(chǔ)上通過自動綜合為主、人機(jī)交互為輔的制圖綜合工藝得到。本文主要采用選取、化簡、概括、位移、拓寬等方法，遵循先主要地物、后附屬設(shè)施，先面狀地物與線狀地物、后點(diǎn)狀地物的原則，通過定制參數(shù)的方式，根據(jù)要素特征自動識別處理，實(shí)現(xiàn)前期制圖綜合的主要工作量，同時避免了手工操作的人為失誤，保證了縮編數(shù)據(jù)的質(zhì)量。部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作和圖面整理工作則需要自動與人機(jī)交互相結(jié)合的方式進(jìn)行。

具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程如圖11所示：

圖11 數(shù)據(jù)綜合縮編流程圖

4.2 空間地物要素動態(tài)更新

考慮到開發(fā)組件需要直接嵌入到EPS 2008平臺中的“SDE管理”菜單命令，本文采用ArcEngine 9.2進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了兩者數(shù)據(jù)的集成和銜接，并建立基于ArcEngine的空間地物要素動態(tài)更新機(jī)制，較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、生產(chǎn)與管理一體化組織。其基本操作步驟有：

①下載SDE數(shù)據(jù)庫中某一待更新區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)到前端數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺EPSW 2008的EDB格式數(shù)據(jù)中，此時每一個都帶有唯一ID碼(FeatureGU ID)、采集時間以及更新時間。

②作業(yè)組拿到待更新的EDB數(shù)據(jù)后，在進(jìn)行外業(yè)修測或更新時，以每一個地物要素為基本對象單元，進(jìn)行相應(yīng)的編輯、修改或刪除等。

③修測完的EDB數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)檢查后，利用“SDE管理”菜單中“數(shù)據(jù)檢測入庫(EPS→SDE)”功能，對于在EDB數(shù)據(jù)中新增或修改過的地物要素，將該地物寫入到SDE庫中，對于在EDB數(shù)據(jù)中刪除的地物要素，則刪除SDE現(xiàn)勢庫中的該要素。

④系統(tǒng)自動進(jìn)行搜索檢測，并提示檢測結(jié)果，包括新增、修改、刪除了多少地物等等，結(jié)果確認(rèn)后，系統(tǒng)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫。

4.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量

本文通過采用GZCORS RTK測量方式布設(shè)103個三級點(diǎn)作為控制起算點(diǎn)，對成果數(shù)據(jù)的地物點(diǎn)、地物間距及高程注記進(jìn)行設(shè)站檢查，并進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。經(jīng)實(shí)地檢測點(diǎn)位中誤差、間距中誤差及高程中誤差指標(biāo)均在允許誤差范圍內(nèi)。1∶2 000地形圖編繪檢查采用內(nèi)業(yè)確認(rèn)方式進(jìn)行，經(jīng)內(nèi)業(yè)對比，與編繪前 1∶500地形圖同名點(diǎn)坐標(biāo)吻合，編繪后 1∶2 000地形圖數(shù)學(xué)精度與原 1∶500地形圖數(shù)學(xué)精度相符。

檢測精度統(tǒng)計(jì)表 表1

5 結(jié) 論

河涌綜合整治工作越來越受到各級政府和社會的關(guān)注。本文以廣州車陂涌為例，討論河涌綜合整治改造輔助設(shè)計(jì)測量等河涌測量工藝方法和多時相三維影像模型的河涌整治效果評價方法，并通過自動綜合為主、人機(jī)交互為輔的制圖綜合方法和空間地物要素動態(tài)更新機(jī)制實(shí)現(xiàn)成果數(shù)據(jù)表達(dá)，為河涌綜合整治提供了精確的前期地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對現(xiàn)階段同類型河涌整治測量工作具有一定借鑒意義。